TW508672B - CMOS active pixel with scavenging diode - Google Patents

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Description

___B7 五、發明説明（1 ) 本發明大致上與互補金氧半導體（CM〇S)主動像素光偵測 器相關’且更特定地與一種改進之CMOS主動像素光偵測器 相關’其包括殘餘拾取二極體在相鄰光偵測器之間，其防 止在相鄰光偵測器之間之互談且防止熱產生之電子從隔絕 區域擴散至光偵測器。 為了克服以CCD為基礎之影像電路之限制，更多最近之 影像電路使用互補金氧半導體（CM〇s)主動像素感應器 (APS)單元以轉換一像素之光能量至電子訊號。有主動像素 感應器單元，一傳統之光二極體通常與一些主動電晶體結 合’該電晶體除了形成電子訊號外，也提供放大、讀出和 重設控制。 圖1(從美國專利編號第5,970,3 16號，在此加入藉以參考） 係為說明傳統CMOS主動像素感·應器單元1〇之概要圖。如圖 1所顯示，單元1 〇包括一光二極體丨2、一其源極連接至光二 極體12之重設電晶體14、一其閘極連接至光二極體12之源 極追隨電晶體16和一其汲極串聯地連接至源極追隨之電晶 體16之源極之行選擇電晶體18。 主動像素感應單元10之操作執行在三步驟中：一重設步 驟’其中單元1 0從先前整合週期中重設；一影像整合步驟 :其中光能量被收集且轉換至電子訊號；及一訊號讀出步 驟’其中訊號被讀出。 如圖1所顯示，在重設步驟期間，重設電晶體14之閘極以 重設電壓匕（5伏特）簡短地脈衝。重設電壓g打開重設電晶 體14’其拉起在光二極體12之電壓和源極追隨電晶體16之 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 508672 A7 B7 五、發明説明（2 閘極至-起始重設電壓。置於源極追隨電晶㈣之問極上 之起始重設電壓也定義了在源極追隨電晶㈣之源極上之 起始中間電壓，其為比起始轉移電壓少_起始電壓降。在 重設電晶體14之閘極已經被脈衝之後，立刻地，行選擇電 晶體18之閘極以行選擇電壓心脈衝。當起始整合電壓，其 之後由影像系統讀出且儲存時，在行選擇電晶體18之閘極 上之行選擇電壓導致在源極追隨電晶體丨6之閘極上之起 始中間電壓出現在行選擇電晶體丨8之源極。 在正〇期間，以光子形式之光能量撞擊光二極體I],藉 此產生一些電子-電洞對。光二極體12被設計以限制新形成 之電子-包洞對之間之重新結合。結果，光產生之電洞被吸 引至光二極體12之正極，其中每個額外電子減少在光二極 月且12上之電壓。因此，在整合步驟結束時，光二極體a和 源極追隨電晶體16之閘極上之電位將被減少至一最後整合 電壓’其中減少量代表接收到光能量之強度。如上，在源 極追隨電晶體之閘極上之最後整合電壓定義了在源極追 隨電晶體16之最後中間電壓。 在&像整合週期之後，藉由以行選擇電壓。、再次脈衝行 選擇電晶體18之閘極，在源極追隨電晶體丨6之源極上之最 後中間电壓之後被讀出為最後整合電壓。結果，代表被單 兀1 0所欠集之全部電荷之收集電壓可以藉由將起始重設電 壓減掉最後整合電壓而獲得。 圖2係為主動像素1〇之概要頂端檢視圖。單元⑺偏好形成 在P-型基材上。光二極體12最好包括一輕微以不純物摻雜 508672 A7 五、發明説明（3 之η-型區域在p-型基材中。 仃逛擇電晶體18之閘 項目23。相似地，重設電晶體Η之閘極顯示如重 设問極26。源極追隨電晶體16之閘極顯示如項目2〇。單元 之源極（電壓電源供應，VDD)顯示如項目21。 圖3和圖4說明一陳列$兮昆士 1 λ ^ 丨早歹！之忒早7L10。更特定地，圖4係為相 似於圖2之頂端檢視圖且圖3係為沿 書、，果Α-Α之剖面檢視圖 。這樣之陣列遭受色彩互談之缺 六』更特疋地，如圖3所顯 示，其自然地降落在單元10之間在隔絕區❹中之由光子 產生之光電子30傾向遷移至相鄰光偵測器12。在彩色影像 感應器之情況下，其巾色彩過瀘器陣列圖暗一起與像素^ 列使用，已經以第-色彩通過第一像素之光子可以撞到在 第-和第二像素間之隔絕區域上且產生結束在第二相鄰像 素之光偵測器中之光電子。目為整合在第二相鄰像素之訊 號理想地代表通過在該像素上之第二色彩過濾器之光子量 ，到達第一光偵測器’之由通過第一色彩過濾器所產生之光 電子導致色彩混合或色彩互談。彩色影像之準確代表需要 最少色彩混合。假如大量的色彩混合或互談發生，其將產 生色彩偏移在產生處理過之彩色影像且降低色彩精確度。 假如光子從第一像素出現且流過隔絕區域至第二相鄰像 素，色彩互談或色彩混合也會發生。此發生在假如第一像 素之入射光亮度足以完全地填滿第一光偵測器，使得剩餘 之光電子產生。之後剩餘光電子可以從第一像素溢出或出 現，漫遊隔絕區域3 1且被收集在第二相鄰像素或像素們之 光偵測器中。此導致由與第一色彩相關之光子所產生之光 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210X 297公釐） 裝 訂 線 6-
發明說明（ 電子被與第二色彩 此 、 —關之k素或光偵測器收集。 埋色彩混合之方向將會取決於每個像素之物 直：：和佈局。在如圖4所顯示之像素陣列之情泥下二 方向之混合或互巧发 孟 火為低，因為在光二極體間之較大办 間和光電子經由電壓電#伹_Μ 铋大空 ^ 土 ％源供應21之η + -基材電晶體之右 相反地’水平方向之互談為高，因為缺少光= =光電子遠離像素邊界和在相鄰光二極體間之 、、、巴區域/空間3 1。 ^ 隔絕區域3 i係為呈有雷；一 為暗產生率之區土或’通成稱 "…產生電子可以從隔絕區域擴散或是遷移 至光偵測器。這些暗電子之後與光產生之電子混合且= … 子不與入射之光訊號相關，其被稱為 〜 m素和影像感應器之訊號與雜訊比效 月E 。 所以，需要有一結構，复在它們嘌较s， ”在匕們遷移至光偵測器12之前 ’移除在隔絕區域3丨產生之光產生或熱產生之電子。 體 拾取二極體位於主動像素影傻咸廐 心垛α應益之相鄰光偵測器之 間’且防止在光偵測器外之隔絕區域中產生之電子遷移 至光偵、測器’也防止從-光m產出現之光電子遷移 :斤以’本發明之目的係提供一種具有互補金氧化半導 -主動像素影像感應器之相機/影像系統，其中每個像素 包括-光偵測器、一電屋電源用以供應電壓至光偵測器 及相鄰於光偵測器之殘餘拾取二極體。該殘餘拾取二極 可以連接至電路之電壓電源或—不同電壓電源。殘餘 任7 — 士5；屈#你士人+基九你主袋/ ,知 ，、 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） -7- A7 B7 5 五、發明説明（ 至相鄰之光偵測器。 一光偵測器位在相鄰於每個像素之側邊和頂端且該像素進 —步包括位在光㈣π之電路元件，其中殘餘拾取二極 體位在沿著該像素之側邊之至少其中之_。殘餘拾取二極 體可以平分在相鄰光債測器之間之隔絕區域或者也可以為 在隔，纟巴區域之下以精簡晶片面積。殘餘拾取二極體位在至 少在相鄰光偵測n之相鄰像素之間。電壓電源和殘餘拾取 二極體可以包含連續之主動地區區域。 像素尚包括位在光偵測器下之電路元件，其中殘餘拾取 二極體位於沿著側邊且電路元件形成一有效之殘餘拾取二 極體在光偵測器下ς 本矣明供一殘餘拾取一極體，其移除從在相鄰光偵測 器之隔絕區域中光產生和熱產生之電子。本發明尚防止在 一光偵測器内光產生之電子出現至相鄰光偵測器。所以， 相鄰光偵測器主要收集其實際上降落在光偵測器上之光電 子且大體不會收集降洛在相鄰於光偵測器之光電子。並且 ，根據本發明，從第一高度照明之光偵測器之光產生之電 子不會從第一光偵測器溢出而遷移至（且被收集_)至相鄰光偵 測器。此允§午更精禮地測量由每個光債測器定義之區域中 所接收之光電子之程度，且減少色彩頻道混合。此色彩互 談之防止或減少改善由影像感應器所產生之色彩影像品質 或色彩精確度。 此外，本發明禁止圍繞光偵測器之隔絕區域中熱產生之 電子遷移而被收集在光偵測器中。此改善影像感應器之訊 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 五、發明説明（ _ B7 6 ) 號與雜訊比。 前述和其他目的、觀點和優點將會從參考圖式之本發明 之較偏好之具體實施例之下面詳細說明而有較佳之了 其中： 圖1係為一像素之概要圖； 圖2係為顯示在圖1之像素之概要頂端檢視佈局圖； 圖3係為一陣列之像素之概要剖面圖； 圖4係為一陣列之像素之概要頂端檢視圖； 圖5係為具有殘餘拾取二極體之一陣列之像素之概要剖面 檢視圖； Θ 6 A為具有殘餘拾取一極體之一陣列之像素之概要頂端 檢視圖； ' 圖7係為具有殘餘拾取二極體之一陣列之像素之概要剖面 檢視圖； 圖8係為具有殘餘拾取二極體之一陣列之像素之概要頂端 檢視圖； 圖9係為相機或是影像系統之概要圖。 本發明減少像素對像素之互談且藉由提供位於在光偵測 益之間且連接至電壓電源供應之殘餘拾取二極體，收集熱 產生在隔絕區域之電子。更特定地，圖6相似於圖4 ,除了 電壓電源供應21被秦壓電源供應2丨和殘餘拾取二極體4〇之 結合所取代。此也可以在圖5之剖面檢視圖看到。操作中， 發生在光偵測is 1 2外之光電子將會被吸引至殘餘拾取二極 體而不是光偵測器單元丨2。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公嫠) A7
少I承杧取一極體40可以有不同大小和形狀且可以包括許 夕=包兀件如圖6所顯示。如同任何普通熟悉此給^揭露之 技π之人士所知，殘餘拾取二極體可以採取任何需要之形 、（或大〗）其取決於在光偵測器陣列中光偵測器單元丨0之 要^餘拾取二極體40位於相鄰光偵測器1 2之間。 此外’不是每個光噶測器單元都需要一殘餘拾取二極體。 再久地况，只要殘餘拾取二極體40置於光偵測器12之間 ’排列都可接受。 通丰有成千上萬之像素單元在一標準陣列中。所以，在 偏好之具體實施例中，陣列之内側光偵測單元全部具有 =同形狀和大小之殘餘拾取二極體。ρ車列之周邊光偵、測器 早7C可以具有獨特之殘餘拾取二極體以容納沿著陣列之邊 界排列之單元。 殘餘拾取二極體40可以概念上地被認為是電壓電源之 4刀或者也可以被認為是分開的但是連接至電壓電源h， 只要有一電氣連接在電壓電源和殘餘拾取二極體40之間 ，其允許由殘餘拾取二極體收集之電子被收集且從光偵測 12引開。的確，在一較偏好之具體實施例中，電壓電源 2 1和玟餘拾取二極體4〇包括一由相同導電型所摻雜之連續 主動地區區域為電壓電源供應節點。 .·、’頁示在圖7之另一具體實施例中，殘餘拾取二極體40(例 如，型植入物），使用已知之技術形成，使得殘餘拾取二 極體42之主要部分形成在隔絕區域3 1之下（如圖7所顯示）， 而不是在隔絕區域31之間（如圖5所顯示）。該具體實施例提 -10-
供較：面積需求以履行該殘餘拾取二極體42。 在額外之具體貫施例如圖8所顯示之中，殘餘拾取二極 體40可以經由内遠岭、击 干” 円連··泉44連接至一分別之電壓電源，而不是 私[包4、」。4分別之電壓電源可以是任何已知之電壓裝 置而並不而要况明而模糊該發明之結構。連接至内連線 :4之刀別之殘餘拾取電壓電源可以分別地控制以最佳化互 ::暗電流之減少和光偵測器之量子效率。如同先前之具 虹貝％例頌示在i 8之殘餘拾取二極體4〇可以位於隔絕區 域31(圖5)之間或在隔絕區域31(圖乃之下。 圖9說明—包括如上戶斤述之發明之光偵測器9 1之相機/影 仏π統90。影像系統9〇之細節對於普通熟悉此技藝的人士 如為已知的，並不在此加入，以至於不需要地模糊本發明 之明顯特點。 本發明容易地以標準。!^〇3技術履行且不需要額外處理步 驟，其中本發明僅只需改變使用之主動區域之形狀和植入 光罩所以，本發明並不增加成本、複雜度或是時間考量 至像素陣列之發展。 本發明藉由放置殘餘拾取二極體在相鄰光偵測器之間產 生更多之等向之色彩互談。在像素中在每個光偵測器底部 之笔路元件長1供有效之殘餘拾取或是在垂直方向之互談防 止。在傳統裝置中，色彩互談係為各異向性的（在垂直方向 非*^ 而大量在水平方向）。本發明使色彩互談在垂直和 水平方向兩者都非常低。 本發明與傳統CCp陣列不同，因為CCD陣列並不包括殘 -11 - 本紙張尺賴用tii^(eNS) Α4_(21() X 297公釐） 508672 A7 B7 五、發明説明（9 ) 餘拾取二極體在像素陣列内。而是，傳統之殘餘拾取二極 體使用於圍繞整個像素陣列以防止走散之光電子從陣列之 外面遷移或擴散至像素陣列。 -12- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

  1. 一種互補金氧半導體（CMOS)主動像素影像感應器，其包 括一陣列之像素，該像素至少其中之一包括： 一光偵測器， 主動電路元件調適以從該光偵測器讀取訊號， 私壓電源用以供應電壓至該電路元件；以及 一殘餘拾取二極體連接至該電壓電源， 其中該殘餘拾取二極體防止該光偵測器外之電子遷移 至該光偵測器。， 2. 如申明專利乾圍第丨項之CM〇s主動像素影像感應器，其 中"亥殘餘拾取二極體位在相鄰於該光偵測器。 4. 5. 6. Ί專«圍第！項之CM0S主動像素影像感應器，其 中该殘餘拾取二極體位在相鄰於每個該像素之側邊和頂 端且該主動電路元件位於該光偵測器之下，其中該殘餘 拾取二極體位在沿著該像素之該側邊之至少其中之一。 如申請專利範圍第丨項之CM0S主動像素影像感應器，其 中該殘餘拾取二極體直接地位於在相鄰光仙彳器之間。 如申請專利範圍第！項之CM〇S主動像素影像感應器，其 中該電壓電源和該殘餘拾取二極體包括一連續導體。 種具有互補金氧半導體（CM〇s)±動像素影像感應器之相機/影像“，其包括―陣狀像素，該像素至少其中 之一包括： 、 一光偵測器， 主動電路元件調適以從該光偵測器讀取訊號， 一電壓電源用以供應電壓至該電路元件；以及 -13-
    一殘餘拾取二極體i表垃 • 連接至該電壓電源， 其中該殘餘拾取二極俨狀L _ 至該光_。 -防止该光偵、測器外之電子遷移 7. 8. 如申請專利範圍第6項 ^ ^ 相缺/影像糸統，其中該殘餘拾 取二極體位在相鄰於該光偵測器。 如申請專利範圍第6項之相機/i像系統，其令該光偵測 @位在相㈣每個該影像感應器之側邊和頂端且該主動 私路元件位於⑦光偵測器之下，其中該殘餘拾取二極體 位在沿著該像素之該側邊之至少其中之一。 9. 10. 如申請專利範圍嘌6項之相機/影像系統，其中該殘餘拾 取一極體直接地位於在相鄭光偵測器之間。如申請專利範圍第6項之相機/影像系統，其中該電壓電 源和該殘餘拾取二極體包括一連續導體。 -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210X297公爱)
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